PVDF-HFP/SWCNT radiation-modulated thermoelectric fibrous membranes enabling synergistic photothermal- thermoelectric conversion
Cette étude présente des membranes fibreuses de PVDF-HFP/SWCNT modulées par rayonnement, fabriquées via l'électrofilage par soufflage d'air, qui exploitent un réseau interconnecté de SWCNT et des propriétés optiques asymétriques pour parvenir à une conversion photothermique-thermoélectrique synergique pour la collecte d'énergie auto-alimentée sans chauffage externe.
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Le monde se dirige vers un avenir où nos vêtements et nos appareils ne sont plus seulement des objets que nous portons, mais des outils qui interagissent avec notre environnement. Imaginez un tissu capable de ressentir un toucher ou un changement de température, ou une veste qui aide à alimenter un petit capteur sans avoir besoin d'une batterie lourde. Pour rendre cela possible, les scientifiques recherchent des matériaux qui soient à la fois flexibles et capables de transformer la chaleur en électricité. Ce processus repose sur un phénomène physique où une différence de température entre deux côtés d'un matériau crée une tension électrique. Bien que cet effet soit bien connu, l'utiliser dans la vie quotidienne a été difficile. Les matériaux traditionnels qui génèrent de l'électricité à partir de la chaleur sont généralement des blocs rigides et lourds de métal ou de céramique, qui ne peuvent pas se plier avec le corps humain. De plus, ces matériaux nécessitent un flux constant de chaleur pour fonctionner, mais les différences de température naturelles que nous expérimentons dans la vie de tous les jours sont souvent trop faibles pour produire une puissance utile. Le défi consistait à créer un matériau assez souple pour être porté, assez robuste pour durer, et assez intelligent pour capturer la lumière du soleil afin de créer sa propre différence de température.
Une équipe de chercheurs a développé un nouveau type de tissu qui répond à ces obstacles en combinant deux fonctions distinctes en une seule feuille flexible. Ils ont créé une membrane composée d'un polymère plastique durable et de nanotubes de carbone à paroi simple, qui sont des formes de carbone incroyablement fines et tubulaires. La clé de leur succès a été une technique de fabrication spécialisée qui a permis de construire le matériau en couches sans en détruire la structure. Au lieu de mélanger directement les nanotubes de carbone dans la solution plastique, ce qui peut rendre le mélange trop épais pour être filé, ils ont utilisé une méthode qui souffle les nanotubes de carbone sur la surface des fibres plastiques au fur et à mesure de leur formation. Cette approche garantit que les nanotubes de carbone se déposent à l'extérieur des fibres et aux points où les fibres se croisent, créant un réseau continu pour la circulation de l'électricité tout en préservant la flexibilité du tissu.
Le matériau résultant est une feuille fibreuse noire qui est étonnamment résistante. Lors des tests, la meilleure version de cette membrane a pu supporter une force de traction de 34,71 mégapascals, ce qui la rend nettement plus robuste que la version en plastique pur. Parallèlement, elle conduit l'électricité à un taux de 46 siemens par mètre, un niveau de performance qui lui permet de fonctionner comme un conducteur efficace. Les chercheurs ont constaté que les nanotubes de carbone ne rendaient pas seulement le tissu conducteur ; ils modifiaient également la façon dont le matériau interagit avec la lumière. Les fibres plastiques ordinaires sont hautement réfléchissantes, renvoyant la majeure partie de la lumière solaire, tandis que les nanotubes de carbone sont excellents pour absorber cette même lumière et la transformer en chaleur. En disposant ces deux propriétés de manière spécifique, l'équipe a créé un système capable de générer sa propre différence de température.
Dans leurs expériences, les chercheurs ont placé la membrane sur une surface qui aidait à évacuer la chaleur et ont exposé un seul côté de celle-ci à une lumière solaire simulée. Comme le côté exposé absorbait la lumière et chauffait, tandis que le côté couvert restait plus frais, un écart de température d'environ 10 degrés Celsius s'est formé à travers la surface du tissu. Cette différence de température auto-générée était suffisante pour déclencher l'effet thermoélectrique, provoquant la génération d'une tension électrique constante. Dans ces conditions, la membrane a produit une puissance de 11,25 picowatts par centimètre carré lorsque la différence de température était de 20 degrés. Le système s'est avéré stable, maintenant sa production de puissance au fil du temps et réagissant de manière fiable chaque fois que la lumière était allumée et éteinte. Ce travail démontre qu'il est possible d'intégrer la capacité de récolter l'énergie solaire et de la convertir en électricité au sein d'un seul textile flexible, offrant une nouvelle voie vers l'électronique portable auto-alimentée qui ne nécessite ni sources de chaleur externes ni composants rigides.
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